關(guān)鍵模塊的實(shí)現(xiàn) - 一種帶Cache的嵌入式CPU的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

　　3 關(guān)鍵模塊的實(shí)現(xiàn)

　　3.1 ALU的實(shí)現(xiàn)

　　ALU是數(shù)據(jù)通路中的重要部件，負(fù)責(zé)完成各種運(yùn)算功能。根據(jù)CPU要實(shí)現(xiàn)的指令集，確定出ALU的操作控制信號數(shù)據(jù)寬度為5 bit，運(yùn)算的數(shù)據(jù)位數(shù)為32 bit。操作控制信號(ALU_OP)和ALU的源數(shù)據(jù)選擇信號根據(jù)不同指令的譯碼由控制邏輯產(chǎn)生。

　　3.2 控制單元的設(shè)計

　　控制單元要根據(jù)輸入的指令碼產(chǎn)生一系列的控制信號，用于控制數(shù)據(jù)通路上的多路選擇器和各功能部件，保證每一條指令都能夠正確執(zhí)行。

　　控制單元的輸入信號必須設(shè)計為32 bit的指令碼，而輸出信號則要根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計。

　　在IF階段，控制單元需要根據(jù)指令的譯碼情況，決定PC的更新值，如果是順序執(zhí)行的指令，則PC自動加4，對于分支和跳轉(zhuǎn)指令，需要發(fā)出跳轉(zhuǎn)指令信號和分支指令信號，從而決定PC的更新值。

　　在ID階段，控制單元對指令進(jìn)行譯碼，根據(jù)指令的操作碼和功能部分，發(fā)出相應(yīng)的控制信號；根據(jù)指令中的操作數(shù)字段，控制單元給出寄存器號，從寄存器堆中讀出操作數(shù)送入ID與EXE之間的流水線寄存器。如果發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān)，數(shù)據(jù)前置邏輯產(chǎn)生前置控制信號。

　　在EXE階段，控制單元給出ALU數(shù)據(jù)來源的選擇信號，以及ALU的運(yùn)算選擇信號，

　　在MEM階段，控制單元需要給出數(shù)據(jù)存儲器的讀寫信號，片選信號等。存儲器需要向控制單元返回響應(yīng)信號。

　　在WB階段，控制單元主要控制數(shù)據(jù)的流向，給出多路選擇器的選擇信號，選擇將存儲器讀出的數(shù)據(jù)或ALU的運(yùn)算結(jié)果寫回寄存器組。

　　3.3 數(shù)據(jù)前推技術(shù)的設(shè)計

　　對于數(shù)據(jù)競爭的檢測，通過比較連續(xù)3條指令的寄存器標(biāo)號，把本條指令的rs和rt及前面2條指令的操作數(shù)結(jié)果寄存器分別進(jìn)行比較，比較器的輸出信號傳遞到EXE階段用于選擇ALU操作數(shù)的來源。

　　而對于LOAD指令發(fā)生的數(shù)據(jù)相關(guān)，必須等到MEM階段完成之后才能得到有效的數(shù)據(jù)，因此發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān)的下一條指令，只能通過延遲一個周期才能利用數(shù)據(jù)前置技術(shù)，如果配合MIPS編譯器，通過使用延遲槽技術(shù)可以解決LOAD類型的數(shù)據(jù)相關(guān)。

　　3.4 指令cache的實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一個容量為2 KB指令Cache，每個Cache行為16 B數(shù)據(jù)，這樣可以利用存儲器的16 B的突發(fā)式傳送。采用2路組相聯(lián)方式，支持通寫(Write Through)模式。由同步SRAM實(shí)現(xiàn)。

　　數(shù)據(jù)Cache由控制模塊、命中與缺失比較模塊、訪問內(nèi)存模塊、替換模塊、輸出模塊組成。其中控制模塊是整個Cache的主控部件，它控制存儲器和cache協(xié)調(diào)工作:當(dāng)執(zhí)行單元有取指請求時，以指令的物理地址作為索引看是否命中，如果不命中則控制邏輯啟動訪存邏輯到內(nèi)存中去取指，當(dāng)指令取回時控制邏輯啟動替換邏輯對指令Cache進(jìn)行替換并將指令輸出;如果命中，則將指令輸出。

　　使用VHDL來設(shè)計和實(shí)現(xiàn)上述各關(guān)鍵模塊。綜合后的接口信號圖如圖2所示。